黃俊，吳紅飛，許鵬，邢巖

(江蘇省新能源發(fā)電與電能變換重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京航空航天大學(xué)，江蘇南京210016)

集中-分布混合式熱電發(fā)電系統(tǒng)分布式MPPT控制方法

黃俊，吳紅飛，許鵬，邢巖

(江蘇省新能源發(fā)電與電能變換重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京航空航天大學(xué)，江蘇南京210016)

集中-分布混合式熱電發(fā)電系統(tǒng)能夠解決多個(gè)熱電發(fā)電(Thermo Electric Generator，TEG)模塊串聯(lián)連接時(shí)各模塊的最大功率點(diǎn)不匹配的問題，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)發(fā)電能效的最大化。本文提出一種應(yīng)用于集中-分布混合式熱電發(fā)電系統(tǒng)的分布式最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)控制方法，通過對各TEG模塊的輸出電流進(jìn)行直接控制，集中單元的輸入電流等于最大功率點(diǎn)電流最小的TEG模塊的電流、分布式單元的輸入電流等于各模塊最大功率點(diǎn)電流與集中單元輸入電流的差值，使得各TEG模塊的MPPT控制相互解耦，系統(tǒng)能夠快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定地跟蹤各個(gè)TEG模塊的最大功率點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)輸出功率的最大化。搭建了由四個(gè)TEG模塊組成的混合式熱電發(fā)電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了提出的分布式MPPT控制方法的有效性。

熱電發(fā)電;最大功率跟蹤;分布式發(fā)電

1 引言

TEG模塊能將熱能直接轉(zhuǎn)換為電能，具有無噪音、無污染、綠色環(huán)保、壽命長的特點(diǎn)，在工業(yè)廢熱回收、汽車尾氣廢熱回收和航天深空探測器供電系統(tǒng)等領(lǐng)域有很大的發(fā)展?jié)摿Γ?，2］。

在熱電發(fā)電系統(tǒng)中，單個(gè)TEG模塊輸出電壓低、功率小，傳統(tǒng)的熱電發(fā)電系統(tǒng)中通常將多個(gè)TEG模塊串聯(lián)以提高輸出電壓和功率，并直接連接到集中變換器，如圖1(a)所示。但是，由于不同TEG模塊自身特性差異、熱能在空間上非均勻分布以及帕爾貼效應(yīng)等因素影響［3，4］，導(dǎo)致各串聯(lián)連接的TEG模塊的輸出特性存在差異、各TEG模塊無法同時(shí)工作在各自的最大功率點(diǎn)，降低了系統(tǒng)的整體能效。借鑒分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)［5］，多模塊熱電發(fā)電系統(tǒng)也可以采用分布式串聯(lián)或分布式并聯(lián)架構(gòu)，如圖1(b)、圖1(c)所示。通過為每個(gè)TEG模塊配備一個(gè)獨(dú)立的變換器，各TEG模塊能夠獨(dú)立進(jìn)行MPPT。然而，由于每個(gè)TEG模塊輸出功率、電壓較低，分布式變換器一般難以實(shí)現(xiàn)高效率。也有文獻(xiàn)采用分布式功率平衡變換器實(shí)現(xiàn)各發(fā)電模塊輸出特性的匹配，但模塊間不平衡的功率需要經(jīng)過多級功率變換，也會降低系統(tǒng)效率［6］。文獻(xiàn)［7］提出了一種基于集中-分布混合式高能效熱電發(fā)電系統(tǒng)架構(gòu)，該發(fā)電系統(tǒng)綜合了集中式和分布式系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，使每個(gè)TEG模塊工作在最大功率點(diǎn)，提高了系統(tǒng)發(fā)電能效。但該文僅針對包含兩個(gè)TEG模塊的系統(tǒng)進(jìn)行研究，且其采用“集中電壓”與“分布電流”控制相結(jié)合的方式進(jìn)行MPPT，這會使得各模塊的電壓/電流擾動相互影響、集中模塊與分布模塊的控制相互耦合，導(dǎo)致該控制方法難以擴(kuò)展到包含更多模塊的TEG系統(tǒng)。

圖1 熱電發(fā)電系統(tǒng)Fig．1TEG power system

本文提出了一種應(yīng)用于多模塊串聯(lián)集中-分布混合式熱電發(fā)電系統(tǒng)的分布式MPPT控制方法，通過對各模塊電流進(jìn)行直接控制，使得混合式熱電發(fā)電系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、準(zhǔn)確地對所有的TEG模塊進(jìn)行MPPT，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)發(fā)電能效的最大化。

2 TEG模塊輸出特性

TEG模塊可以用電壓源串聯(lián)電阻來等效［7］，如圖2所示，vteg、Rteg、v和i分別為TEG模塊的開路電壓、內(nèi)阻、輸出電壓和電流。當(dāng)TEG模塊熱端和冷端溫差發(fā)生變化時(shí)，模塊的開路電壓和內(nèi)阻也會發(fā)生改變，TEG模塊的P-I特性曲線和V-I特性曲線如圖3所示。圖3中ISC1、ISC2和ISC3分別為TEG模塊工作在溫差ΔT1、ΔT2和ΔT3下的短路電流，且ΔT1＜ΔT2＜ΔT3，當(dāng)TEG模塊溫差越大，開路電壓、短路電流和輸出功率也相應(yīng)地變大。從圖3中看出，TEG模塊溫差一定時(shí)，都存在三個(gè)工作區(qū)域，分別為最大功率點(diǎn)左側(cè)、最大功率點(diǎn)右側(cè)、最大功率點(diǎn)。最大功率點(diǎn)左側(cè):TEG模塊的輸出功率p隨著輸出電流i的增大而增大;最大功率點(diǎn)右側(cè):TEG模塊的輸出功率p隨著i的減小而增大;最大功率點(diǎn): TEG模塊的輸出功率p達(dá)到最大值，輸出電流i= ISC/2，輸出電壓v=vteg/2。

圖2 TEG模塊等效電路Fig．2Equivalent electrical circuit of TEG module

圖3 TEG模塊P-I特性和V-I特性Fig．3P-I and V-I characteristics

3 混合式熱電發(fā)電系統(tǒng)及其控制方法

以4個(gè)TEG串聯(lián)向蓄電池充電為例，集中-分布混合式熱電發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4(a)所示。4個(gè) TEG模塊串聯(lián)后與集中單元相連，每個(gè)TEG模塊與各自的分布單元相連，各分布單元輸出端都與集中單元的輸出端并聯(lián)，各TEG的MPPT由集中單元和分布單元共同實(shí)現(xiàn)，這既可以實(shí)現(xiàn)所有模塊的MPPT，又能保證各模塊輸出功率僅經(jīng)過單級功率變換。在圖4(a)中，集中單元一般采用非隔離變換器實(shí)現(xiàn)，分布式單元則需要采用隔離型變換器，集中變換器的效率一般高于分布單元的變換效率。因此，為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)發(fā)電能效的最大化，在實(shí)現(xiàn)各TEG模塊分布式MPPT的同時(shí)，應(yīng)該使盡可能多的功率由集中單元進(jìn)行功率變換。

圖4 集中-分別混合式熱電發(fā)電系統(tǒng)Fig．4Hybrid centralized-distributed TEG power system

為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，考慮到多模塊串聯(lián)系統(tǒng)的特性，應(yīng)該使得集中單元的輸入電流，即母線電流ibus與最大功率點(diǎn)電流最小的TEG模塊的輸出電流相等，其他各模塊的最大功率點(diǎn)電流與集中單元輸入電流的差值由各自的分布單元變換到輸出端。即分布單元僅處理由于各模塊最大功率點(diǎn)電流差異引起的差值功率。

基于上述分析，本文采用的集中-分布混合式熱電發(fā)電系統(tǒng)的控制系統(tǒng)如圖4(b)所示，控制系統(tǒng)由MPPT控制器、各模塊的調(diào)節(jié)器和PWM模塊組成。MPPT控制器采用擾動觀察法［8，9］實(shí)現(xiàn)，并輸出各TEG模塊的最大功率點(diǎn)電流基準(zhǔn)iref_t1～iref_t4。

圖5為MPPT控制器的工作流程圖，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，控制器通過采集TEG模塊的輸出電壓和電流，并計(jì)算出當(dāng)前4個(gè)TEG模塊的輸出功率P1(n)～P4(n)，采用擾動觀察法通過P1(n)～P4(n)、io1(n)～io4(n)、上一次各模塊輸出功率和電流P1(n－1)～P4(n－1)、io1(n－1)～io4(n－1)判斷各TEG模塊的工作區(qū)域。假設(shè)通過判斷TEG1、TEG4工作在最大功率點(diǎn)，TEG2工作在最大功率點(diǎn)左側(cè)，TEG3工作在最大功率點(diǎn)右側(cè)，則有iref_t1=iref_t1，iref_t2= iref_t2+Δiref，iref_t3=iref_t3－Δiref，iref_t4=iref_t4。

圖5 MPPT控制器工作流程圖Fig．5Flow chart of MPPT controller

如圖4(b)所示，經(jīng)過MPPT控制器得到各模塊的最大功率點(diǎn)電流基準(zhǔn)后，經(jīng)最小值選擇器使得母線電流基準(zhǔn)自動等于所有TEG模塊的最小電流基準(zhǔn)iref_bus=min(iref_t1，iref_t2，iref_t3，iref_t4)，而4個(gè)分布單元的輸入電流基準(zhǔn)等于各自的輸出電流基準(zhǔn)與母線電流基準(zhǔn)iref_bus的差值。由于各模塊的輸出電流同時(shí)受控，這可以避免在對某一模塊進(jìn)行擾動時(shí)干擾其他模塊的最大功率點(diǎn)運(yùn)行或者其他模塊的擾動，消除各模塊由于串聯(lián)連接帶來的相互影響。假設(shè)min(iref_t1，iref_t2，iref_t3，iref_t4)=iref_t1，則iref_d1=0，io1－ibus=0，分布單元1將關(guān)閉，這保證了發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)除了集中單元外最多有三個(gè)分布單元同時(shí)工作。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行后，母線電流ibus將自動等于最大功率點(diǎn)電流最小的TEG模塊的輸出電流，其對應(yīng)的分布單元不工作，其他分布單元的輸入電流等于其對應(yīng)的TEG模塊的最大功率點(diǎn)電流與ibus的差值。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

搭建了300W熱電發(fā)電實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)，如圖6所示。系統(tǒng)由4個(gè)TEG模塊構(gòu)成，每個(gè)TEG模塊的最大輸出功率為75W，其最大功率點(diǎn)電壓為3～13.5V。系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺原理圖如圖7所示，集中單元采用Boost/Buck變換器，額定功率為300W，工作時(shí)輸入電壓為12～110V。分布單元采用反激變換器，允許4個(gè)TEG模塊中模塊之間最大功率差異為40%，則反激變換器額定功率為30W，工作時(shí)輸入電壓為3～27V。系統(tǒng)輸出用于蓄電池充電，蓄電池最高充電電壓為58V，控制芯片采用飛思卡爾微處理器MC56F8247。

圖6 熱電發(fā)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺Fig．6Experimental setup for TEG power system

圖7 實(shí)驗(yàn)電路原理圖Fig．7Schematic of experimental circuit

圖8是系統(tǒng)從啟動到穩(wěn)態(tài)的實(shí)驗(yàn)波形，vGSbo為Boost/Buck開關(guān)管SB1的驅(qū)動，vGSF1和vGSF2分別為反激變換器開關(guān)管SF1和SF2的驅(qū)動，io2為TEG2的輸出電流，vo1～vo4分別為TEG1～TEG4的輸出電壓。在t1時(shí)刻前，發(fā)電系統(tǒng)還未運(yùn)行，各模塊的輸出電壓都等于各自的開路電壓。在t1和t2之間，4個(gè)模塊都工作在最大功率點(diǎn)左側(cè)，它們的輸出電流都等于集中單元輸入電流ibus，反激變換器都關(guān)閉。到達(dá)t2時(shí)TEG1模塊到達(dá)最大功率點(diǎn)，其最大功率點(diǎn)電流最小，對應(yīng)的反激變換器不工作。其他模塊的最大功率點(diǎn)電流均大于TEG1，因此對應(yīng)的反激變換器工作，最終各模塊都達(dá)到最大功率點(diǎn)。

圖8 穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)波形Fig．8Experimental waveforms of start-up process

圖9是系統(tǒng)的動態(tài)實(shí)驗(yàn)波形，vGSF4為反激變換器開關(guān)管SF4的驅(qū)動，vteg4為TEG4的開路電壓。從圖9中看出，在t1時(shí)刻前4個(gè)模塊都工作在最大功率點(diǎn)，TEG1最大功率點(diǎn)電流最小，相應(yīng)的反激變換器關(guān)閉，其他三個(gè)反激變換器運(yùn)行。t1時(shí)刻TEG4的開路電壓由12V突變?yōu)?V，TEG4的最大功率點(diǎn)電流發(fā)生變化，其最大功率點(diǎn)電流最小，對應(yīng)的反激變換器關(guān)閉，其他3個(gè)反激變換器工作。在t2時(shí)刻，TEG4開路電壓由7V突變?yōu)?2V，TEG1最大功率點(diǎn)電流最小，對應(yīng)的反激變換器關(guān)閉。TEG4最大功率點(diǎn)電流發(fā)生突變之后，經(jīng)過一定的調(diào)節(jié)時(shí)間TEG4都能重新工作在最大功率點(diǎn)，其他模塊沒有受到影響，一直穩(wěn)定工作在各自的最大功率點(diǎn)，與理論分析一致。

圖9 動態(tài)試驗(yàn)波形Fig．9Dynamic experimental waveforms

將4個(gè)TEG模塊的溫差依次從低到高線性分布，其中TEG1溫差最小為68℃，TEG4溫差最大。在TEG4溫差分別為117℃、158℃、204℃三種溫差分布情況下，分別采用僅有集中Boost/Buck變換器工作的集中式方式和集中Boost/Buck變換器與反激變換器共同工作的混合式方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到TEG模塊總發(fā)電功率和經(jīng)過發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行功率變換之后的總輸出功率，如表1所示。

表1 發(fā)電功率和輸出功率Tab．1Comparative data of generated power and output power

從表1中的數(shù)據(jù)可以看出，4個(gè)TEG模塊溫差存在差異的情況下，得益于采用分布式MPPT控制方法的混合式發(fā)電系統(tǒng)，使4個(gè)模塊均工作在最大功率點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)TEG模塊輸出功率最大化。因此采用混合式方案TEG模塊總發(fā)電功率大于采用集中方案下TEG模塊發(fā)電總功率，而且TEG4溫差越大，TEG模塊輸出特性差異性越大，同時(shí)TEG模塊輸出功率越高，此時(shí)采用混合式發(fā)電系統(tǒng)來提高系統(tǒng)的輸出功率優(yōu)勢更加明顯。

5 結(jié)論

本文提出一種基于擾動觀察法的集中-分布混合式熱電發(fā)電系統(tǒng)分布式MPPT控制方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:

(1)提出的分布式MPPT控制方法是有效的，運(yùn)用該控制方法，各TEG模塊獨(dú)立進(jìn)行最大功率點(diǎn)追蹤，互不干擾，而且控制方法性能穩(wěn)定，發(fā)電系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地追蹤各TEG模塊的最大功率點(diǎn)。

(2)相對于集中式系統(tǒng)，提出的分布式MPPT控制方法結(jié)合集中-分布混合式發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以有效地提高發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率。

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Distributed MPPT control strategy for hybrid centralized-distributed TEG power generation system

HUANG Jun，WU Hong-fei，XU Peng，XING Yan
(Jiangsu Key Laboratory of New Energy Generation and Power Conversion，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China)

A hybrid centralized-distributed TEG power generation system can overcome the maximum power points mismatching among different thermoelectric generator modules and maximize the energy efficiency of the whole system．This paper proposes a distributed MPPT control scheme for the hybrid centralized-distributed TEG power generation systems．Maximum power point tracking of all of the TEG modules is achieved fast，accurately and steadily by directly regulating the output current of each TEG module with coordinate control of the centralized and distributed units．With the proposed control strategy，the input current of the centralized unit is equal to the minimum maximum power point current of those TEG modules，and the maximum power point current difference is regulated by the distributed unit．Experimental results based on four-module TEG system are given to verify the feasibility and effectiveness of the proposed strategy．

thermoelectric generator;maximum power point tracking;distributed power generation

TM913

A

1003-3076(2015)02-0034-05

2014-09-30

江蘇省自然科學(xué)基金(BK20140812)資助項(xiàng)目、江蘇省新能源發(fā)電與電能變換重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放研究基金(ZAB11002)和江蘇省高校優(yōu)秀科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目

黃俊(1988-)，男，廣西籍，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動;吳紅飛(1985-)，男，河北籍，講師，博士，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動。